في الأنظمة غير المتوازنة ثلاثية الطور، حيث يكون دوران تيار التسلسل الصفري ضرورياً، كما توفر المحولات رباعية الأرجل اتصالاً محايداً للأحمال الكهربائية أحادية الطور أو غيرها من الأحمال غير المتوازنة التي تُستخدم عادةً في أنظمة التوزيع ثلاثية الطور، وبالإضافة إلى ذلك يتم أيضاً التحكم في حجم ومرحل جهد التسلسل الصفري أو التيار باستخدام محولات طاقة رباعية الأرجل.
أهمية واستخدامات المحولات الكهربائية ذات الأربع أرجل
تواجه أنظمة توزيع الطاقة تحولاً عميقاً، كما بهدف تحقيق شبكة قابلة لإعادة التكوين، وهي قادرة على توفير جهد التيار المستمر والتيار المتردد لاستخدام الطاقة المتولدة داخل الشبكات والطاقة التي يوفرها نظام النقل بكفاءة، بحيث سيسمح هذا بدمج تقنيات توليد الطاقة النظيفة، مثل الطاقة الكهروضوئية ومصادر طاقة الرياح وأنظمة التخزين الحديثة القائمة على الهيدروجين والحالة الصلبة أو الليثيوم أيون وتكنولوجيا البطاريات والنقل الكهربائي الحديث من الدراجات الكهربائية.
كما توفر شبكة توزيع الطاقة أو الشبكة الصغيرة الطاقة للعديد من الأحمال أحادية الطور أو الأحمال ثلاثية الطور غير المتوازنة، أي أنظمة ثلاثية الأطوار رباعية الأسلاك (3P4W)، وعادةً في تكوين شعاعي لإدارة تدفقات الطاقة غير المتوازنة، وفي هذه الحالات يجب توفير مسار لدوران التيارات المتتالية الصفرية، على سبيل المثال باستخدام محول (Delta / Wye) ضخم، حيث يتم استخدام النقطة المحايدة للملف الثانوي لتأريض الملف، مما يوفر مساراً لكل من التيارات ذات التسلسل الصفري والتيارات الخاطئة على التوالي.
مشاكل المفاقيد في المحولات الكهربائية ذات الأربع الأرجل
على الرغم من أن هذا التكوين بسيط وقوي ولا يتطلب أجهزة إضافية؛ فإن التدفقات المغناطيسية غير المتماثلة تزيد من فقد طاقتها عندما يتعرض المحول لمستويات حمل غير متوازنة معتدلة وينتج اختلالات في الفولتية الناتجة المقدمة للشبكة الكهربائية والحمل، بالإضافة إلى ذلك يتم توصيل التيار الأرضي والتيار المحايد بنفس النقطة المحايدة للمحول، والتي يمكن اعتبارها خطراً محتملاً على الأحمال أحادية الطور الحساسة أثناء حدوث خطأ في الطور إلى الأرض.
علاوة على ذلك، وفي ظل وجود التشوه التوافقي؛ تعاني المحولات من خسائر أعلى في الحديد وطاقة اللف خاصةً عندما تكون الأحمال أحادية الطور غير المتوازنة ذات المحتوى التوافقي الثالث مرتفعًا نسبياً متصلة بالمحول، كما يدور هذا التوافقي الثالث عبر دلتا الملف الأولي للمحول وهو موجود أيضاً في السلك المحايد للملف الثانوي للمحول.
كذلك تقلل هذه التأثيرات من الطاقة الاسمية المتاحة للمحولات، مما يؤدي إلى محولات كبيرة الحجم وكفاءة منخفضة، وأخيراً بسبب عدم قدرة محولات الطاقة على تعويض الجهد المنخفض الداخلي غير المتكافئ؛ فإنه ينتج عنه جهد إخراج غير متوازن ثلاثي الطور، مما قد ينتج عنه تسخين إضافي في الآلات الكهربائية وتموج غير مرغوب فيه في المقومات وخلل في أجهزة الحماية الكهربائية.
القيود التي تقع على المحولات الكهربائية ذات الأربع أرجل
للتغلب على قيود المحولات السلبية، يلزم وجود محول طاقة مخصص قادر على تعويض التيارات السلبية والصفرية في أنظمة الأسلاك الأربعة؛ خاصة في الشبكات الصغيرة ذات الجهد المنخفض (4) أرجل وأنظمة توزيع الطاقة الكهربائية، كما يجب أن نتذكر أن المحولات ثلاثية الطور يمكنها تنظيم الفولتية الموجبة والسالبة ولكن بسبب عدم وجود سلك رابع أنه لا يمكنها التعامل مع مكونات التسلسل الصفري.
ووفقاً لذلك، كان النهج الأول والأبسط لتوفير مسار لتداول تيار التسلسل الصفري هو تقسيم مكثفات (DC-link) لعاكس ثلاثي الأرجل من مستويين لتوصيل نقطة الوسط الخاصة به بالسلك المحايد، أي ثلاثة- محول بأربعة أسلاك (3L4W)، وعلى الرغم من أن هذا التكوين يحقق التحكم في المكونات ذات التسلسل الصفري؛ فإن تيار التسلسل الصفري يتدفق عبر مكثفات (DC-link)، مما يؤدي إلى سعة كبيرة لوصلة التيار المستمر لتقليل تموج الجهد وتقليل استخدام جهد وصلة التيار المستمر.
كما تعد المحولات رباعية الأرجل حلاً واعداً للتعامل مع المشكلات المذكورة أعلاه، بحيث تحتوي هذه المحولات على ساق مخصصة لتوفير المحولات ذات الأسلاك المحايدة، أي محولات بأربعة أرجل بأربعة أسلاك (4L4W)، مما يحقق الاستفادة الكاملة من جهد وصلة التيار المستمر، كما ويوفر أداءً عالياً وإمكانية التحكم على التسلسل الصفري المكونات، مما يسمح بالتحكم في كل من الفولتية الثلاثة من الطور إلى المحايد (PTN) بشكل مستقل.
وعلاوة على ذلك، تتيح المحولات رباعية الأرجل التحكم المستقل في تدفق الطاقة النشطة والمتفاعلة أحادية الطور والتعويض النشط للجهود المتدلية غير المتوازنة عند العمل كمصدر طاقة للجهد الكهربائية والحماية ذكية وفصل السلك المحايد باستخدام سلك حماية الأرض وإدارة المحتوى التوافقي.
المشاكل الهندسية التي ترتبط بمستويات تركيب المحولات ذات الأربع ارجل
على الرغم من أن (4L4W VSI) ذات المستويين هي أكثر الطوبولوجيا التي تم الإبلاغ عنها في الدراسات؛ فقد تمت مناقشة استخدام العديد من طوبولوجيا محول الطاقة رباعي الأرجل الأخرى، على سبيل المثال تم تقديم المحولات متعددة المستويات مثل المحولات ذات النقاط المحايدة والمكثف الطائر والنوع (T) للأنظمة رباعية الأرجل.
كما أن الميزة الرئيسية للمحولات متعددة المستويات هي تردد التحويل المكافئ الأعلى عند جهد الخرج المعدل، مما يتيح استخدام مرشحات طاقة أقل ضخامة لإنتاج جودة طاقة خرج مناسبة مع كثافة طاقة أقل، بحيث يتم الحصول عليها بتكلفة عدد أكبر من أجهزة أشباه الموصلات والعناصر السلبية وزيادة تعقيد التحكم الكهربائي.
كما تم أيضاً اقتراح طوبولوجيا (AC / AC 4L4W) المباشرة لتوصيل أنظمة (3P3W) بأنظمة (3P4W)، مثل محول المصفوفة المباشر ومحول المصفوفة غير المباشر والتي يُزعم أنها تتمتع بكثافة طاقة أكبر وموثوقية أكبر مقارنةً بنظام ظهر إلى ظهر طوبولوجيا (VSI).
ومع ذلك؛ فهي تتطلب تردد تبديل أعلى ويقتصر جهد الخرج على (87 ٪) فقط من جهد الدخل وتقترن ديناميكية الإدخال والإخراج بسبب عدم وجود عناصر التخزين، وفي الواقع وبسبب الحفظ الفوري للطاقة النشطة؛ فإنه يتم نقل اهتزازات الطاقة اللحظية عند الحمل غير المتوازن إلى المدخلات، مما ينتج عنه تشوه توافقي في تيار جانب الإدخال.
كما تم الإبلاغ أيضاً عن التوصيل البيني للعديد من المحولات، والتي يتم التحكم فيها بشكل مستقل بحيث تعمل كمحول واحد لواجهة شبكة بأربعة أسلاك كحل أبسط للتحكم في تيار التسلسل الصفري، على سبيل المثال تم اقتراح اتصال متوازي لثلاثة جسور (H) أو ثلاثة محولات ثلاثية الأرجلز
كما يسمح هذا النهج لنظام تحكم أبسط، والأهم من ذلك أنه يبسط خوارزميات التعديل مقارنة بتطبيق العاكس رباعي الأرجل، بحيث يوفر هذا النهج أيضاً إمكانية ربط العديد من الهياكل متعددة المستويات، مما يحسن بشكل كبير عدد المستويات عند خرج المحول مع نظام تعديل وتحكم أسهل.
وأخيراً يتيح (4L4W VSI) التحكم في المكونات الموجبة والسالبة وصفرية التسلسل لجهود الإخراج للمحول، كما يمثل مكون التسلسل الصفري متغيراً إضافياً للتحكم عند مقارنته بمحولات (3L3W)، وذلك لتعديل مكونات الجهد هذه، بحيث تم الإبلاغ عن مجموعتين رئيسيتين من المُعدِّلات وطرق متجه الفضاء (PWM (SVM)) وطرق (PWM) القائمة على الموجات الحاملة، كما تمثل طرق (SVM) جهد المحول والجهد المرجعي كمتجهات في إطار إحداثيات ثلاثي الأبعاد.
